Солнечные протонные события, достигающие уровня земли (Ground Level Enhancements, GLE), представляют собой наиболее энергетичную форму солнечной активности. Однако существует целый класс событий — sub-GLE (sub-Ground Level Enhancement), при которых поток частиц недостаточен для регистрации стандартными нейтронными мониторами, но достаточен для влияния на ионизацию атмосферы, радиационную обстановку в полярных регионах и работу авионики (Miroshnichenko, 2018). Проблема усугубляется тем, что существующая мировая сеть нейтронных мониторов (NMDB) имеет неравномерное покрытие, особенно в высоких широтах и на больших высотах, где чувствительность к слабым событиям максимальна (Butikofer, 2016).
Создание специализированной сети детекторов в Арктике и высокогорных районах позволит впервые регистрировать слабые солнечные протонные события, недоступные для стандартной сети нейтронных мониторов. Это даст возможность прогнозировать радиационную обстановку на трассах полярной авиации, изучать влияние солнечной активности на атмосферные процессы и климат, а также понимать физику ускорения частиц на Солнце (Mishev & Usoskin, 2018).
Уникальный пример высокогорной полярной обсерватории с рекордной чувствительностью к слабым событиям
Теоретические основы и особенности детектирования слабых солнечных протонных событий
Нейтронные мониторы (НМ) — это наземные детекторы, регистрирующие вторичные нейтроны, образующиеся при взаимодействии первичных космических лучей (как галактических, так и солнечных) с ядрами атомов атмосферы. Принцип действия основан на регистрации эпитепловых и быстрых нейтронов с помощью пропорциональных счетчиков, заполненных \( ^{10}\mathrm{BF}_3 \) или \( ^{3}\mathrm{He} \), окруженных замедлителем (полиэтилен) и свинцовым генератором, который усиливает сигнал за счет размножения нейтронов в свинце (Simpson, 1953).
Солнечные протонные события GLE регистрируются, когда поток протонов с энергией >400 МэВ достигает уровня, достаточного для превышения фоновых вариаций галактических космических лучей. Однако существует класс более слабых событий (sub-GLE), при которых увеличение потока на уровне земли составляет менее 3-5% и не может быть надежно выделено стандартными методами анализа данных НМ (Poluyanov et al., 2017). Для их регистрации требуются:
Атмосферное поглощение и геомагнитное обрезание являются двумя основными факторами, определяющими порог регистрации. Зависимость интенсивности нейтронов от атмосферного давления описывается барометрической формулой, а эффективная энергия регистрации НМ составляет около 10 ГэВ для галактических космических лучей, но смещается в область меньших энергий для солнечных протонов в полярных регионах (Dorman, 2004).
Ускорение протонов до энергий >100 МэВ в короне Солнца, выброс в межпланетное пространство.
Распространение вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля, фокусировка, диффузия (Moraal, 2013).
Проникновение в полярные шапки (низкое геомагнитное обрезание) и взаимодействие с атмосферой.
Генерация атмосферных ливней и вторичных нейтронов, регистрируемых нейтронными мониторами.
Чувствительность нейтронного монитора к слабым событиям экспоненциально растет с высотой из-за уменьшения атмосферной толщи над детектором. На высоте 3000 м над уровнем моря интенсивность нейтронной компоненты примерно в 5-10 раз выше, чем на уровне моря. Полярные регионы (геомагнитная широта >60°) имеют минимальную жесткость геомагнитного обрезания (менее 1 ГВ), что позволяет протонам с энергией ~400 МэВ достигать атмосферы. Сочетание этих двух факторов делает высокогорные полярные станции идеальными площадками для регистрации sub-GLE событий.
Анализ исторических данных показывает, что многие события, классифицированные как sub-GLE, были пропущены сетью стандартных нейтронных мониторов, но могли быть зарегистрированы при наличии детекторов в ключевых точках. Например, событие 20 января 2005 года (GLE 69) было зарегистрировано множеством станций, но более слабые события, такие как 6 мая 1998 года или 24 августа 1998 года, остались незамеченными для большинства детекторов, хотя анализ данных стратосферного зондирования указывает на присутствие солнечных протонов (Bazilevskaya et al., 2015).
Характеристики станции:
Уникальность и результаты:
Ключевое достижение: В 2017 году на основе анализа данных DOME за 40 лет была опубликована первая калиброванная шкала sub-GLE событий, включающая события, не вошедшие в официальный каталог GLE (Poluyanov et al., 2018).
В северном полушарии существует значительный разрыв в покрытии полярных и высокогорных регионов:
| Регион/Станция | Высота, м | Широта, °N | Тип детектора | Статус |
|---|---|---|---|---|
| Апатиты (Россия) | 180 | 67 | NM64 (6 счетчиков) | Активна |
| Баренцбург (Шпицберген) | 75 | 78 | NM64 (6 счетчиков) | Активна |
| Якутск (Россия) | 100 | 62 | NM64 (12 счетчиков) | Активна |
| Тикси (Россия) | 20 | 71 | NM64 (6 счетчиков) | Планируется |
| Полярный Урал (Россия) | 500 | 67 | Новый прототип | Пилотный проект |
| Гренландия (Kangerlussuaq) | 50 | 67 | NM64 (9 счетчиков) | Активна |
| Инувик (Канада) | 50 | 68 | NM64 (6 счетчиков) | Активна |
| Пико-де-Орисаба (Мексика) | 4600 | 19 | Новый прототип | Строится |
| DOME (Южный полюс) | 3233 | -80 | NM64 (18 счетчиков) | Активна |
Как видно из таблицы, в северном полушарии отсутствуют станции, сопоставимые по высоте с DOME. Наибольший потенциал имеют высокогорные станции на Полярном Урале, Камчатке, в Норвегии (Тромсё, высота 500 м — недостаточно) и проектируемая станция на плато Путорана. Это создает уникальную нишу для российской сети высокогорных полярных детекторов (Belov et al., 2018).